情報雷達(dá)對隱身目標(biāo)偵察的數(shù)據(jù)特點分析

肖力竑 ，湯金平 ，賀 輝

（1.解放軍懷化預(yù)備役高炮團(tuán)，懷化418000 ；2.解放軍湖南預(yù)備役高炮團(tuán)，長沙410000）

0 引 言

隨著現(xiàn)代航空技術(shù)、精確制導(dǎo)技術(shù)的飛速發(fā)展，情報雷達(dá)檢測的飛機、導(dǎo)彈等主要目標(biāo)越來越現(xiàn)代化、隱身化，加之?dāng)诚冗M(jìn)的干擾技術(shù)的綜合運用，使空中目標(biāo)環(huán)境日趨復(fù)雜，極大地影響著情報雷達(dá)對目標(biāo)的探測和跟蹤。雷達(dá)小目標(biāo)如無人機、隱身目標(biāo)及巡航導(dǎo)彈等，具有散射面積小、機動性和續(xù)航能力強、可超低空飛行和威脅程度高等特點，給防空作戰(zhàn)武器構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，使得對空情報雷達(dá)的探測距離大大減小，難以可靠、連續(xù)地檢測目標(biāo)。

隱身目標(biāo)是專門針對有源雷達(dá)的工作原理設(shè)計的，其雷達(dá)散射截面積很小，電磁隱蔽性很強。因此，目標(biāo)回波的度量信息將大幅減小，難以反映出目標(biāo)的真實面貌，給有源雷達(dá)的搜索、發(fā)現(xiàn)和目標(biāo)識別帶來極大的困難。本文結(jié)合某隱身飛機模型的散射特性，對情報雷達(dá)對隱身目標(biāo)偵察的數(shù)據(jù)特點進(jìn)行了分析，雷達(dá)站只能在部分姿態(tài)下測得其斷續(xù)點跡，但不能對隱身目標(biāo)連續(xù)自動跟蹤。

1 目標(biāo)隱身技術(shù)

隱身技術(shù)又稱為低可探測技術(shù)，它是改變武器裝備的可探測信息特征，使其不易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)距離縮短的綜合型技術(shù)。由雷達(dá)方程式（1）可知，雷達(dá)對目標(biāo)的最大探測距離Rmax與目標(biāo)的RCS 呈1／4 次方函數(shù)關(guān)系。目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積減小，則雷達(dá)最大探測距離Rmax也隨之減?。菏街校篟max為雷達(dá)對目標(biāo)的最大探測距離；Pt為雷達(dá)發(fā)射機功率；Gt為發(fā)射回波的天線增益；Gr為接收回波的天線增益；λ為雷達(dá)載波波長；σ為雷達(dá)散射截面積；Pmin為雷達(dá)最小可檢測信號。

假設(shè)某目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積為A，雷達(dá)最大探測距離為R，在其它條件不變時，若目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積為0.5A，雷達(dá)最大探測距離為0.84R；目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積為0.000 1A，雷達(dá)最大探測距離為0.10R。

飛機隱身技術(shù)的應(yīng)用是航空領(lǐng)域的一項重大技術(shù)突破，它的出現(xiàn)和應(yīng)用對各種防空探測系統(tǒng)和航空武器系統(tǒng)都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時也對軍用航空裝備及空中作戰(zhàn)產(chǎn)生了重大影響。

由于隱身飛機是專門針對有源雷達(dá)的工作原理設(shè)計的，其雷達(dá)散射截面積小，電磁隱蔽性很強。因此，目標(biāo)回波的度量信息大幅減小，難以反映出目標(biāo)的真實面貌，給有源雷達(dá)的搜索和目標(biāo)識別造成極大的困難。

隱身飛機與常規(guī)飛機相比，雷達(dá)散射截面積通常降低1 ～3 個數(shù)量級。例如：B－1A的雷達(dá)散射截面積為B－52 的1／10 ，B－1B的雷達(dá)散射截面積為 B－52 的1／100 ，F(xiàn)－22 的雷達(dá)散射截面積為 F－15 的1／100 。表1 為幾種典型隱身飛機的常規(guī)參數(shù)。

表1 幾種典型隱身飛機的常規(guī)參數(shù)

2 某隱身飛機模型的散射特性分析

圖1 為1 架隱身飛機實驗?zāi)Ｐ偷膶崪y散射三面圖，該模型具有與F－117A相似的多平面角錐外形，僅后掠角與長寬比不同。

圖1（a）為偏航平面散射，表明該隱身飛機具有比常規(guī)飛機小的散射截面積，特別是在機頭方向0°～±50°的偏航姿態(tài)角范圍內(nèi)，然后才是機翼和尾翼前緣垂向的窄散射高峰。在機尾方向，有一個刻度約為±10°的向內(nèi)凹陷的低散射區(qū)。就偏航平面散射圖而言，側(cè)向左右舷處是散射最強的方向，但與常規(guī)飛機的圓柱機身和平板立尾在側(cè)向產(chǎn)生的強輻射相比較，該隱身飛機的多平面角錐機身和傾斜V型雙立尾在左右舷產(chǎn)生的散射低很多。

圖1 某隱身飛機模型的實測散射特性三面圖

圖1 （b）為俯仰平面散射，表明在機頭方向－45°～＋70°的約115°的俯仰姿態(tài)角范圍內(nèi)，該隱身飛機均具有良好的隱身性能，但在下腹部（90°±10°）有一個比機頭方向高出1 000 ～10 000 倍（30 ～40dB）的強散射區(qū)；在機背部約－110°～－45°的約65°的俯仰姿態(tài)角范圍內(nèi)，具有較大的散射截面積。

圖1（c ）為橫滾平面散射，表明盡管左右舷側(cè)向的散射截面積比常規(guī)飛機已經(jīng)減小，但在大部分橫滾姿態(tài)角范圍內(nèi)，仍具有較強的散射特性。

由圖1（a）可知，假如雷達(dá)站在右后方A位置發(fā)現(xiàn)并跟上該隱身飛機，駕駛員只需把機頭向右調(diào)轉(zhuǎn)幾度，使雷達(dá)站探測的方位處在A′的方向上，便能擺脫雷達(dá)站的跟蹤（雷達(dá)散射截面積下降約12dB，雷達(dá)最大探測距離Rmax變?yōu)樵瓉淼?0%）；如果雷達(dá)站在B位置發(fā)現(xiàn)并跟上該隱身飛機，駕駛員只須將機頭向左調(diào)轉(zhuǎn)幾度，便可擺脫雷達(dá)站的跟蹤。

3 雷達(dá)站對隱身目標(biāo)偵察的數(shù)據(jù)特點

圖2 為雷達(dá)站探測某隱身飛機的示意圖，假設(shè)隱身飛機以1Ma 的飛行速度沿航線l 等高勻速直線飛行。

圖2 雷達(dá)站探測某隱身飛機的示意圖

隱身飛機與雷達(dá)站間連線的距離用ri表示，i ＝2 ，…，n，n 為雷達(dá)站掃描周期的個數(shù)。飛行高度H＝13km，雷達(dá)站C 的掃描周期T＝10s，最大探測距離Rmax＝180km。雷達(dá)站C 在空間位置A點探測到該隱身飛機，且r1≈Rmax。該隱身飛機在雷達(dá)站接下來的第i 個掃描周期的空間位置點為Ai，水平投影點為Bi。

圖3 為該隱身飛機實測偏航平面的姿態(tài)角與RCS 的關(guān)系圖。

圖3 該隱身飛機偏航平面的姿態(tài)角與RCS

從圖3 中可以看出：該隱身飛機在0°～（β0－0.5°）范圍內(nèi) RCS 都比較小，在β0±0.5°范圍內(nèi)RCS 出現(xiàn)一個比較大的峰值，此后有一個約為15°的向內(nèi)凹陷的低散射區(qū)。當(dāng)偏航姿態(tài)角為βi±2 .5°時，RCS 再次出現(xiàn)一個比較大的峰值：

式中：x 為 RCS 的分貝值。

由雷達(dá)方程式（1）可知：雷達(dá)最大探測距離Rmax與目標(biāo)RCS 呈1／4 次方函數(shù)關(guān)系。目標(biāo)的RCS 減小，則雷達(dá)最大探測距離也隨之減小。設(shè)R為雷達(dá)站探測該隱身飛機的不同散射截面積時，由雷達(dá)方程求出的相對最大探測距離。

如果定義該隱身飛機的標(biāo)準(zhǔn)散射截面積σ＝1m2，則該隱身飛機偏航姿態(tài)角、RCS 和R 之間的關(guān)系如表2 所示。

表2 該隱身飛機的偏航姿態(tài)角、RCS 和R的關(guān)系

表3 為隱身飛機向站飛行時，雷達(dá)站的第i 個掃描周期與ri、偏航姿態(tài)角及R≥ri的關(guān)系。

表3 中，區(qū)間1 為［0°，β0－0.5°］、區(qū)間 2 為［β0－0.5°，β0＋0.5°］、區(qū)間3 為［β0＋0.5°，β0＋15°］、區(qū)間4 為［β0＋15°，β0＋20°］、區(qū)間5 為［β0＋20°，90°］。當(dāng)R≥ri時，令其值為1 ，表明雷達(dá)站能夠探測到該隱身飛機；當(dāng)R＜ri時，令其值為0，表明雷達(dá)站探測不到該隱身飛機。

由于隱身飛機具有RCS 隨雷達(dá)照射姿態(tài)異常分布的特征，單個雷達(dá)站在測量中常常只能發(fā)現(xiàn)幾個斷續(xù)的點跡，因而無法對其進(jìn)行正確的航跡起始和有效的跟蹤。

4 仿真實驗

假設(shè)有2 批隱身飛機在某A 型雷達(dá)的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，其中：目標(biāo)1 做勻速直線運動，目標(biāo)2 做勻加速直線運動，初始參數(shù)分別為：

目標(biāo)1 ：x1＝100km，y1＝150km，z1＝1km；vx1＝0.2km／s ，vy1＝0.1km／s ，vz1＝0km／s ；

目標(biāo)2 ：x2＝150km，y2＝120km，z2＝5km；vx2＝0.18km／s ，vy2＝0.3km／s ，vz2＝0km／s ；ax1＝1 .5m／s2，ay1＝1m／s2，az1＝0m／s2；

該雷達(dá)的最大探測距離Rmax＝230km。

使用VC 6.0 作為平臺，對A 型雷達(dá)探測隱身飛機的過程進(jìn)行仿真。當(dāng)R≥ri時，表明該雷達(dá)能夠探測到隱身飛機，將其測得的點顯示在雷達(dá)的平面位置指示器（PPI ）畫面上；當(dāng)R＜ri時，表明該雷達(dá)探測不到隱身飛機。圖4 為某一時刻A 型雷達(dá)探測隱身飛機仿真實驗的PPI 畫面。從圖4 中可以看出，對于目標(biāo)1 ，雷達(dá)站僅能探測到一個點跡，目標(biāo)2 僅能測得2 個點跡。在這種情況下，單個雷達(dá)站無法對目標(biāo)進(jìn)行航跡起始和有效的目標(biāo)跟蹤。

表3 第i 個掃描周期與ri 、偏航姿態(tài)角及R≥ri 的關(guān)系

圖4 A型雷達(dá)某時刻的PPI 畫面

5 結(jié)論

由于隱身目標(biāo)具有RCS 隨雷達(dá)照射姿態(tài)異常分布的特征，其雷達(dá)散射截面積小，電磁隱蔽性強，使得對空情報雷達(dá)的探測距離大大減小，單個雷達(dá)站在測量的過程中常常只能發(fā)現(xiàn)幾個點跡，難以可靠、連續(xù)的檢測目標(biāo)。雷達(dá)站對隱身目標(biāo)偵察的數(shù)據(jù)特點為點跡斷續(xù)，無法對其進(jìn)行正確的航跡起始和有效的目標(biāo)跟蹤。

［1］高騰.防空兵雷達(dá)分隊?wèi)?zhàn)術(shù)［M］.鄭州：鄭州防空兵學(xué)院，2002.

［2］劉成海.美俄新一代戰(zhàn)斗機［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［3］湯金平.基于斷續(xù)點跡的雷達(dá)網(wǎng)航跡起始方法研究［D］.鄭州：防空兵指揮學(xué)院，2009.